Đã có nhiều phương pháp được nêu ra để tính toán ổn định và lún của nền đắp trên đất yếu, trong đó có phương pháp đã được đưa vào Tiêu chuẩn hiện hành.. Tuy nhiên, các phương pháp này ma
Trang 1MỞ ĐẦU 0.1 Sự cần thiết của đề tài
Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn, thường gặp ở nước
ta Khi xây dựng nền đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát, thiết kế cẩn thận
và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đắp xây dựng trên đó thường dễ mất ổn định, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác và sử dụng mặt nền
Đã có nhiều phương pháp được nêu ra để tính toán ổn định và lún của nền đắp trên đất yếu, trong đó có phương pháp đã được đưa vào Tiêu chuẩn hiện hành Các phương pháp này phản ảnh ở mức độ nào đó thực trạng của công trình khi bị mất
ổn định Tuy nhiên, các phương pháp này mang tính tiền định, không xét một cách đầy đủ đặc tính ngẫu nhiên của các tham số tính toán của đất nền, đất đắp và các tải trọng được đưa vào tính toán, cũng như không xét đến yếu tố thời gian Do đó, trong nhiều trường hợp, công trình nền đắp đã bị mất ổn định hoặc lún quá nhiều gây hậu quả nghiêm trọng mặc dù việc thiết kế, thi công và khai thác công trình nền đã tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn, Quy phạm hiện hành
Rõ ràng, c ần phải xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số của đất và tải trọng trong tính toán công trình nền đắp Việc đánh giá an toàn của nền đắp trên đất yếu xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số kể trên chỉ được giải quyết trên cơ
sở lý thuyết xác suất và độ tin cậy Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” có tính
cấp thiết và giải quyết vấn đề trên là mục đích c ủa Luận văn này
0.2 Mục đích của đề tài
Phân tích kết quả tính toán sự an toàn của nền đắp trên đất yếu khi tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phương pháp trên
để tính toán nền đắp trên đất yếu trong điều kiện cụ thể của một công trình
0.3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu của đề tài : Nghiên cứu các tài liệu thí nghiệm từ
các nguồn khác nhau kết hợp với phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Trang 2Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ổn định về trƣợt sâu, về lún trồi
của công trình nền đắp trên đất yếu theo các Tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết
độ tin cậy
0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho việc thiết
kế và thi công nền đắp trên đất yếu
Ý nghĩa thực tiễn: Lý giải đƣợc những nguyên nhân xảy ra nhiều sự cố của
nền đắp trên đất yếu khi thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu đã tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành để có giải pháp tránh đƣợc những sự cố này
Trang 3CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm về đất yếu
Cho đến nay, khái niệm đất yếu chưa thật rõ ràng và thống nhất vì tùy theo quy mô công trình và t ải trọng tác dụng mà nền đất sẽ có mức độ tương tác với công trình khác nhau Có khi đất nền là yếu với cấp loại công trình này nhưng l ại không yếu với cấp loại công trình khác Theo quan niệm của nhiều nhà khoa học về địa kỹ thuật và về xây dựng, đất yếu thường được hiểu như sau [2], [13]:
Đất yếu là loại đất có độ ẩm lớn hơn 80%, mô đun biến dạng thấp, với khoảng
áp lực (0,05÷0,3) MPa thì E0 ≤ 5 MP a
Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, kho ảng(0,05÷0,1) MPa
Góc ma sát trong của đất υ = 20÷100, lực dính đơn vị khoảng (0,002÷0,03) MPa
Tính biến dạng lớn, trong thế nằm tự nhiên đất yếu có mật độ không lớn – khi tải trọng (0,1÷0,15) MPa thì độ lún của đất có thể đạt đến (10÷15)% chiều dày c ủa lớp đất Thông thường, hệ số rỗng của các đất yếu e > 1,0
Quá trình cố kết của đ ất yếu diễn ra trong kho ảng thời gian rất dài Do khả năng thấm nhỏ, hệ số thấm dao động trong khoảng (10-6
÷10-9) cm/s, nên độ lún cuối cùng c ủa công trình kéo dài có khi đến hàng chục năm
Vì thế, nếu không có biện pháp xử lý đúng đ ắn thì việc xây dựng công trình trên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được
Theo 22TCN 262-2000 [1], tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thế
có nguồn gốc khoáng vật ho ặcnguồn gốc hữu cơ
Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình tr ầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng ho ặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số
rỗng lớn (sét e ≥ 1,5 , á sét e ≥ 1), lực dính с theo kết quả cắt nhanh không thoát
Trang 4nước từ 0,15 daN/cm2
trở xuống, góc nội ma sát υ từ 00 – 100 hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường сu ≤ 0,35 daN/cm2
Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đ ất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0, độ bão hòa G > 0,8)
Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thường
có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật)
1.2 Những sự cố thường xảy ra của nền đắp trên đất yếu
Nền đắp trên đất yếu thường được thi công nhanh, do đó ứng suất trong đất yếu cũng như áp lực nước lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng khiến cho cường độ kháng cắt của đất trở nên không kịp đủ cân bằng với ứng suất cắt do tải trọng gây ra trong khối đ ất
Đó là lý do làm cho nền đắp trên đất yếu dễ bị phá hoại trong quá trình xây dựng, và là những phá hoại trước mắt
Sau khi xây dựng, áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống, cường độ kháng c ắt tăng lên và độ ổn định của nền được cải thiện
Tương quan τmax= C’ + (σ – u)tgυ’ giữa cường độ kháng cắt τmax của đ ất với ứng suất có hiệu σ’= σ – u cho phép ta giải thích hiện tượng trên
Từ những điều trên và kinh nghiệm cho thấy các hư hỏng c ủa nền đắp trên đ ất yếu thường là các phá ho ại do trượt quay với cung trượt tròn
Trong các trường hợp đ ặc biệt, nền đất thiên nhiên rất đồng nhất hoặc đáy nền đất được tăng cường thì cơ cấu của sự phá hoại là cơ cấu phá hoại của đất nền chịu tác dụng của một móng nông Trong trường hợp này đất nền sẽ bị phá ho ại theo kiểu lún trồi và việc tính toán độ ổn định được tiến hành như tính móng nông cổ điển
1.2.1 Phá hoại do trượt trụ tròn
Kiểu phá ho ại này thường gặp trong xây dựng đường do dạng hình học thông
Trang 5bộ (h 1.1) Hậu quả của sự lún này là một bộ phận của nền đắp và đất nền thiên nhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị và có hình dạng thay đổi theo tính chất và các đặc tính cơ học của vật liệu dưới nền đắp Để tính toán, trong các trường hợp đơn giản nhất thường xem mặt phá hoại tương tự một mặt trụ tròn và sự trượt được gọi là trượt trụ tròn
Sự phá ho ại của đất yếu do lún trồi hoặc trượt sâu vì đắp nền quá cao là một hiện tượng xảy ra nhanh chóng trong khi thi công hoặc sau khi thi công xong một thời gian ngắn
Hình 1.1 Các phá hoại dạng mặt trượt trụ tròn
a) Có mặt nứt do kéo trong nền đắp; b) Không có mặt nứt kéo trong nền đắp
1.2.2 Phá hoại do lún trồi
Toàn bộ nền đắp lún võng vào nền đất yếu đẩy trồi đất yếu tạo thành các bờ đất gần chân taluy (h.1.2)
Trang 6Hình 1.2 Phá hoại của nền đắp do lún trồi
1.3 Các giải pháp khắc phục các sự cố của nền đắp trên đất yếu
Khi kết quả tính toán kiểm tra ổn định cho thấy không thể đạt được một hệ số
an toàn lớn hơn ho ặc bằng hệ số an toàn cho phép trong Tiêu chuẩn (K = 1,5) ứng với chiều cao nền đ ắp sẽ xây dựng thì phải áp dụng các biện pháp cải thiện điều kiện ổn định
Các biện pháp này gồm có việc sửa chữa hình học của công trình, xây dựng nền đ ắp theo giai đo ạn, cải thiện (hoặc tăng cường) đất yếu Các giải pháp khác như tăng cường đáy nền đắp, dùng vật liệu nhẹ,… thường ít được dùng
1.3.1 Sửa chữa hình học
Sửa chữa hình là việc thay đổi kích thức nền đắp Có thể sửa đối kích thước hình học của nền đắp theo hướng tăng độ ổn định bằng việc giảm độ dốc mái taluy Tuy nhiên, nếu giảm độ dốc mái taluy quá 1/3 thì không c ải thiện được độ ổn định
so với làm bệ phản áp, hơn nữa không phải ở vị trí nào cũng cho phép giảm độ dốc mái taluy
1.3.2 Thay thế lớp đất yếu bằng lớp đất tốt
Việc thay đ ất là đào bỏ đất xấu để thay bằng đất tốt và đầm chăt Việc thay đất này sẽ kho khăn hơn khi thi công dưới nước và thực tế chỉ giới hạn với các chiều sâu đến vài mét Mặt khác việc thay đất cũng thường ảnh hưởng đến môi trường
Việc thay thế toàn bộ ho ặc một phần đất yếu bằng vật liệu có cường độ cao hơn và ít biến dạng hơn sẽ khắc phục được toàn bộ hoặc một phần các vấn đề về
Trang 71.3.3 Xây dựng theo giai đoạn
Xây dựng theo giai đoạn là tiến hành đ ắp nền đến một chiều cao đầu tiên sao cho hệ số an toàn F ≥ 1,5 và chờ cho đất yếu cố kết (cải thiện cường độ kháng cắt) Trong giai đoạn cố kết, hệ số an toàn tăng lên khi tải trọng không đổi Như vậy có thể đắp nền thêm một chiều cao mới để giảm hệ số an toàn đến trị số tối thiểu là 1,5
và lặp lại quá trình một số lần cần thiết
Do thời gian cố kết cần thiết giữa hai giai đoạn khá dài nên hiếm khi đắp nền đường đến ba giai đoạn
Thời gian thi công gi ảm đáng kể nếu làm đường thấm thẳng đứng
Việc tính toán kiểm tra độ ổn định trước khi đắp một lớp nền mới được tiến hành với ứng suất tổng, trên cơ sở của trị số lực dính không thoát nước được tăng lên do cố kết và được xác định theo một trong hai phương pháp sau:
- Đo bằng thiết bị cắt cánh hiện trường – Đưa trực tiếp trị số đo được vào tính toán không cần điều chỉnh, tải trọng của nền đắp có tác dụng phá ho ại kết cấu của đất sét và giảm bớt vai trò của các nhân tố điều chỉnh của Bjerrum
- Đánh giá độ tăng của lực dính không thoát nước – độ tăng này có thể tính bằng số theo công thức:
ΔCu = Δσ’tgυcu Dưới tim nền đường đắp Δσ’= Δσ.U, với Δσ là tổng ứng suất do nền đắp gây
ra và U là độ cố kết được đánh giá hoặc xác định theo kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng tại chỗ
Trang 8Hình 1.4 Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính do cố
kết
1.3.4 Cải thiện các tính chất của đất yếu
Có thể cải thiện tính chất c ủa đ ất yếu do sự cố kết của khối đất dưới nền đắp hoặc do tăng cường khối đất bằng các cột balat hoặc cột đất gia cố vôi, các cột này còn có tác dụng thoát nước
Sự cố kết của khối đất yếu xảy ra dưới tác dụng của các ứng suất do nền đắp gây ra Khi các điều kiện về ổn định và thời hạn thi công cho phép, có thể xây dựng nền đ ắp đến một chiều cao lớn hơn chiều cao của thiết kế và như vậy đã tác dụng thêm một gia tải để tăng nhanh độ lún Trong trường hợp chung, thời gian cố kết sẽ rất dài, có thể đến vài năm ho ặc vài thập kỷ Như vậy cần tăng nhanh hiện tượng cố kết bằng cách làm đường thấm thẳng đứng để giảm chiều dài c ủa đường thoát nước Cũng có thể tăng nhanh cố kết bằng phương pháp cố kết động tức là thả rơi các vật nặng trên mặt nền sau khi làm đường thấm thẳng đứng
Cũng có thể tăng cường khối đất yếu bằng các cột vật liệu có cường độ tốt hơn đất thiên nhiên tại chỗ Hai kỹ thuật đã được sử dụng là:
- Cột balat: Thay c ục bộ đ ất yếu bằng các cột vật liệu hạt đã đ ầm chặt
- Cột đất gia cố vôi: Trộn vôi sống với đất sét tại chỗ làm tăng đáng kể các tính chất của đất sét mềm
Trang 91.3.5 Các phương pháp khác
Tăng cường đáy nền đắp bằng các vật liệu thiên nhiên (bó cành cây, tre,…) hoặc các thảm vật liệu thấm tổng hợp (geotextiles), hoặc có thể sử dụng vải địa kỹ thuật rải trên mặt đất yếu trước khi đắp
Đắp bằng vật liệu nhẹ: Puzulan, trấu nung, vỏ sò, khối polystyren kết cấu tổ ong
Xây dựng nền đắp trên các cọc cát
1.4 Các phương pháp tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu
1.4.1 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm tiền định
Trong hơn nửa thế kỷ qua, việc thiết kế các công trình và nền của chúng chủ yếu dựa trên cơ sở phương pháp các trạng thái giới hạn hoặc các phương pháp tương
tự [4] Theo phương pháp các trạng thái giới hạn, một hệ số an toàn duy nhất của phương pháp tải trọng phá hoại đã được thay bằng hàng loạt các hệ số, xét đến các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến trạng thái c ủa kết cấu:
– hệ số độ tin cậy về vật liệu;
– các hệ số độ tin cậy về tải trọng (hệ số vượt tải và hệ số tổ hợp tải trọng); – các hệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó;
– hệ số độ chính xác của các thao tác công nghệ;
– hệ số độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu
Đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của kết cấu Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình cần phải được thực hiện sao cho không để xảy ra các trạng thái giới hạn của nó Trạng thái của kết cấu, mà với trạng thái ấy kết cấu không thể thoả mãn các yêu cầu khai thác, được gọi là trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn có thể xảy ra của các kết cấu và nền của chúng được chia thành các nhóm Khi đó độ bền của kết cấu trở thành một tính chất riêng, và đã xuất hiện trường hợp, khi mà kết cấu đủ bền nhưng không thể tiếp tục khai thác được vì đạt đến các trạng thái giới hạn khác (ví dụ, do nguyên nhân độ võng lớn hoặc bề rộng
Trang 10Các trạng thái giới hạn được chia thành hai nhóm
Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất bao gồm những trạng thái giới hạn dẫn tới bất lợi hoàn toàn cho khai thác công trình, nền hoặc dẫn tới phá hoại hoàn toàn (hoặc một phần) khả năng chịu tải Những trạng thái giới hạn này có thể xem như những trạng thái giới hạn tuyệt đối Chúng được đặc trưng bởi: sự phá hoại có đặc trưng bất kỳ (ví dụ dẻo, giòn, mỏi); mất ổn định hình dạng dẫn đến bất lợi hoàn toàn khi khai thác; mất ổn định vị trí; chuyển sang hệ biến hình; thay đổi chất lượng kết cấu; những hiện tượng khác nhau khi đó buộc phải ngừng khai thác Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm các trạng thái giới hạn gây khó khăn cho khai thác bình thường công trình hoặc nền, làm suy giảm tuổi thọ của công trình so với thời hạn phục vụ đã được thiết lập khi thiết kế Những trạng thái giới hạn này có thể xem như trạng thái giới hạn chức năng Chúng được đặc trưng bởi: sự đạt đến chuyển vị giới hạn của kết cấu ho ặc biến dạng giới hạn của nền; mức dao động của giới hạn kết cấu ho ặc ho ặc nền; mất ổn định hình dạng dẫn đến khó khăn cho khai thác bình thường, cũng như các hiện tượng khác, khi đó buộc phải giảm tạm thời thời hạn phục vụ
Cũng cần bổ sung khi giới thiệu nội dung mới là: cùng với những khái niệm
và khả năng chịu tải và tính thích hợp cho khai thác thì khái niệm sức sống cũng xác định thêm một nhóm các trạng thái giới hạn mới Sức sống được xem là tính chất bảo tồn khả năng thực hiện các chức năng chủ yếu của hệ dưới tác dụng của những nhiễu loạn mang tính thảm họ a, mà không được phép phát triển các nhiễu loạn và các sự cố theo kiểu dòng thác [8]
Vì thế, trong nhiều trường hợp, có thể bổ sung nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba Nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba - theo sức sống - bao gồm các trạng thái giới hạn được đặc trưng bởi sự phát triển các phá hoại có dạng dòng thác dẫn đến loại bỏ hoàn toàn các thành phần của hệ Nguyên nhân của sự phát triển tương
tự có thể là những tác động có tính thảm họa, cũng như những sai lầm đáng tiếc khi thi công hoặc khi khai thác Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ